Формирования подземного контура плотины

ЛЕКЦИЯ 4

Устройство бетонной водосливной плотины гравитационного типа
на нескальном основании

Конструкция плотины на нескальном основании (рис. 3.1) определяется только при совместном учете следующих основных требований:

1 Обеспечение устойчивости сооружения на сдвиг;

2 Сохранение прочности элементов плотины и основания;

3 Получение наименьшего значения фильтрационного противодавления на флютбет плотины;

4 Обеспечение фильтрационной прочности основания;

5 Обеспечение достаточной пропускной способности сооружения для сброса паводковых вод;

6 Гашение избыточной энергии сбрасываемого через плотину водного потока.

Рис. 3.1. Общая схема плотины на нескальном основании

Для выполнения указанных требований конструкция плотины включает себя следующие основные элементы (см. рис. 3.1):

· Понур и свайные шпунтовые ряды (шпунты) — элементы подземного контура сооружения, служащие для увеличения пути фильтрации, а следовательно, для уменьшения фильтрационного расхода, противодавления на основание плотины и градиентов напора. Шпунтовый ряд свай, расположенный ближе к нижнему бьефу сооружения, выполняется перфорированным и устраивается лишь для увеличения устойчивости сооружения.

· Тело плотины — массивная водоподпорная часть плотины, служащая для пропуска необходимых расходов и поддержания уровня воды в верхнем бьефе, для чего водопропускные отверстия в теле плотины оборудуются затворами.

· Водобой — часть водосливной плотины, служащая для крепления дна от размыва под воздействием падающей струи и создания благоприятных гидравлических условий гашения энергии воды с целью недопущения потери устойчивости тела плотины.

· Рисберма — часть бетонной водосливной плотины, расположенная в послепрыжковом участке нижнего бьефа и служащая для крепления дна от размыва до начала естественного дна.

Тело плотины

Водосливные плотины должны иметь профиль, отметку гребня и специальные устройства, обеспечивающие безопасные условия для пропуска воды, льда, наносов и плавающих тел.

В теле плотины различают напорную и водосливную грани, оголовок, флютбет (фундаментную плиту — нижнюю часть тела плотины), смотровые потерны и дренажные устройства.

Форма тела плотины формируется прежде всего, исходя из необходимости обеспечения ее прочности, устойчивости и необходимой пропускной способности. В виду массивности сооружения, необходимо стремиться к уменьшению объема бетона и железобетона. Это может быть достигнуто следующими путями:

· Реализация конструкций с максимальным использованием давления воды в качестве пригрузки (например, верховой плиты плотины или анкерных понуров), рис. 3.2, 3.3.

Рис. 3.2. Конструкция бетонной плотины на песчаном основании:
1 — металлический шпунт; 2 — обратный фильтр; 3 — дренажная галерея; 4 — дренажные отверстия; 5 — ячеистая стенка (металлический шпунт); 6 — плиты; 7 — часть тела водослива, возводимая способом гребенки; 8 — водослив; 9 — рабочий эксплуатационный затвор; 10 паз для балок ремонтных заграждений; 11 — паз для заграждений на период строительства; 12 — портальный кран; 13 — двухпутный железнодорожный мост; 14 — автомобильный мост; 15 — плиты; 16 — бык

Рис. 3.3. Конструкция бетонной гравитационной плотины с анкерным понуром:
1 — анкерный понур; 2 — дренаж; 3 — дренажные галереи

· Использование противофильтрационных и дренажных устройств, снижающих или полностью снимающих фильтрационное давление на подошву сооружения.

· Внедрение бетонных и железобетонных конструкций с заполнением из местных материалов (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Плотина с глубинными донными отверстиями и с загрузкой из местных материалов:
1 — ось плотины; 2 — металлический шпунт; 3 — дренажные скважины; 4 — пьезометры; 5 — загрузка; 6 — дренаж; 7 — понур

Оголовок плотины определяет форму и характер дальнейшего протекания струи, а также коэффициент расхода водослива. Существует два основных вида оголовков (рис. 3.5): безвакуумный (на всем протяжении водосливной грани сохраняется положительное, больше атмосферного, давление) и вакуумный, когда в некоторых местах под струей образуется давление ниже атмосферного — вакуум.

Наилучшим безвакуумным профилем у нас в стране считается профиль, очерченный по координатам Кригера-Офицерова, которые приведены гидравлических в справочниках для единичного напора на гребне плотины. Вакуумные профили, обеспечивающие максимальный коэффициент расхода, получаются описыванием оголовка вокруг круга с соотношением или эллипса при отношениях его осей 2 : 3.

а	б	в	г

Рис. 3.5. Водосливные профили плотин:
а, б, в — безвакуумные; г — вакуумный

Вакуумное очертание водослива отличается большей пропускной способностью (примерно на 7 ÷ 15 %), однако при прорыве воздуха под струю или при неправильных очертаниях водосливной грани сооружение подвергается толчкам, ударам и несколько большим вибрациям по сравнению с безвакуумным профилем. Кроме того, если вакуум достигает предела 6 ÷ 6,5 м вод. ст., то возникает явление кавитации и связанные с ним последствия: разъедание бетона, вырывание камней облицовки, закладных частей затворов и т. п.

Учитывая сказанное, в практике, как правило, применяют безвакуумное очертание и лишь при небольших напорах до 5 ÷ 6 м — вакуумное.

Быки

Быки разбивают водосливной фронт плотины на отдельные отверстия и могут выполнять тройную роль:

· служат опорами для затворов, перекрывающих водосливные отверстия;

· служат опорами для транзитных и служебных мостов;

· на них располагаются стационарные подъемные механизмы затворов.

Высота быков обычно назначается, исходя из условия подъема затворов на полную высоту, и может быть различной на участках с мостами и с подъемными механизмами.

Толщина и длина быков в общем случае зависит от конструкций затворов, размеров перекрываемых водосливных отверстий, размеров и конструкций расположенных мостов и подъемных механизмов.

Очертание быков в плане делается легкообтекаемой формы, а при наличии ледохода — заостренной (рис. 3.6).

а	б

Рис. 3.6. Очертание быков в плане:
а — формы очертаний быков; б — общая схема быка в плане; 1 — паз ремонтного или аварийно-ремонтного затвора 2; 3 — паз рабочего затвора 4

Как правило, для опирания затворов в быках устраивают пазы. В общем случае в быке устраивают паз рабочего затвора и два паза ремонтных затворов, расположенных выше и ниже рабочего. При выполнении ремонта основного рабочего затвора ремонтные затворы закрывают и, откачав воду из пространства между ними, производят необходимые работы. В частном случае, когда нижний бьеф располагается ниже гребня плотины, необходимость в нижнем ремонтном затворе отсутствует. Необходимость пазов затворов может тоже отсутствовать, например, при использовании сегментных или секторных затворов, которые не требуют их устройства.

Размеры пазов в плане определяются размерами опорных частей затворов и предварительно назначаются: ; ; (где — ширина пролета между быками в свету). Существенным размером является толщина быка в самом суженном месте , которую принято считать .

По виду сбоку различают следующие типы быков: бык без уступа, с одним уступом, с двумя и с тремя уступами. Эти уступы располагают таким образом, чтобы объем бетона распределялся в теле плотины наивыгоднейшим образом с точки зрения равномерности распределения нагрузок на основание быка.

Рис. 3.7. Схема быка с двумя уступами: 1 — паз ремонтного затвора; 2 — служебный мост; 3 — рабочий затвор; 4 — верхнее колесо затвора; 5 — транзитный мост; 6 — временный порог; 7 — ригель; 8 — паз строительного ограждения; 9 — стойки; 10 — заграждения во время строительства; H — напор на водосливе; h — толщина струи, переливающейся через плотину (h = 0,75H)

Водобой

Водобой — массивная бетонная плита толщиной 2 ÷ 5 м с гасителями энергии или без них. Водобой является устройством нижнего бьефа, расположенным сразу за телом плотины, задачами которого являются крепление дна и формирование наиболее благоприятных гидравлических условий в нижнем бьефе, обеспечивающих эффективное гашение вредной энергии воды.

В виду того, что водобой подвержен воздействию потока воды, движущегося с большими скоростями, поверхность его должна быть защищена от износа льдом, наносами и т. п. прочной облицовкой.

Для плотин на нескальном основании характерен донный режим сопряжения бьефов, при котором возможно возникновение, как затопленного, так и отогнанного прыжка. Наиболее эффективное гашение энергии происходит в затопленном прыжке, однако расчеты могут показать, что без изменения конструкции водобоя (при плоском водобое) в нижнем бьефе возникает недопустимый отогнанный прыжок. В этом случае условия затопления прыжка создают с помощью специальных устройств.

На рис. 3.8 представлены различные схемы гашения энергии на водобое.

б
а	в

Рис. 3.8. Варианты водобойных устройств:
а — варианты конструкций водобойных колодцев; б — конструкция водобойной стенки; в — комбинированный водобойный колодец; 1 — дренаж; 2 — строительный откос; 3 — фильтрационное отверстие; 4 — подпорная стенка; 5 — отвод воды из дренажа

Схемы с водобойными колодцами, представленные на рис. 3.8, а, отличаются формой концевой части колодца и особенностью устройства дренажа. Так, например, схема с наклонным уступом имеет преимущество с точки зрения износа бетона, однако эффективность колодца при этом уменьшается, что приходится компенсировать увеличением его глубины.

Необходимо отметить, что устройство водобойного колодца увеличивает высоту плотины и вместе с ней (по соображения устойчивости сооружения) ширину, что существенно влияет на удорожание стоимости плотины.

Этого недостатка лишена схема с водобойной стенкой (рис. 3.8, б). Вместе с тем, водобойная стенка имеет свои недостатки среди которых можно отметить:

· возможность возникновения за стенкой отогнанного прыжка, для устранения которого потребуется устройство второй стенки;

· длина крепления за водобойной стенкой должна быть несколько большей по сравнению с водобойным колодцем, что потребует дополнительных затрат.

Промежуточным вариантом устройства водобоя является комбинированный водобойный колодец, который включает в себя как заглубление водобойного колодца, так и выступ стенки. Высоты стенки с, представленной на рис. 3.8, в, определяют из минимально допустимого условия возникновения затопленного прыжка за стенкой, а глубину колодца d, исходя из условия, что при глубине (с + d) в колодце прыжок тоже был затопленным.

Помимо указанных устройств, в пределах водобоя также располагают специальные гасители энергии (рис. 3.9) в виде сплошных и сосредоточенных выступов, среди которых различают пирсы, шашки, зубья, растекатели, носки-расщепители и др. Форму и взаимное расположение определяют только путем проведения лабораторных исследований.

а	б	в
г
д	е	ж

Рис. 3.9. Специальные гасители энергии, располагаемые на водобое:
а, в и г — пирсы; б — шашки; д, е и ж — варианты зубчатого порога

Рисберма

Назначением рисбермы является защита дна реки в нижнем бьефе (за водобоем) от размыва потоком и гашение оставшейся непогашенной на водобое энергии воды.

К основным требованиям конструкции рисбермы относятся:

· соответствие конструкции рисбермы требованиям по скоростям течения;

· гибкость, способность деформироваться вслед за деформациями основания, без нарушения защитного назначения рисбермы;

· водопроницаемость с целью уменьшения фильтрационного давления на тело плотины и водобой;

· по возможности большая шероховатость поверхности рисбермы.

В первом приближении длину рисбермы назначают равной , где — длина водобоя.

Существуют различные конструктивные схемы устройства рисбермы.

Использование бетонных и армобетонных плит в конструкции рисбермы
(рис. 3.10) является эффективным, но дорогим типом крепления. Толщину плит в этом случае обычно принимают переменной: уменьшающейся от начального участка рисбермы к конечному от 1 ÷ 5 м до 0,5 ÷ 0,8 м и более. Длина плит находится в пределах от 2 до 20 м. При конструировании рисбермы из плит необходимо их располагать длиной стороной вдоль течения и рассчитывать как балку на двух опорах (при возможном подмыве плиты). Кроме того, для увеличения шероховатости плиты по длине выполняют разной высоты.

Рис. 3.10. Пример крепления рисбермы с использованием плит и каменной наброски:
1 — гаситель на плите водобоя; 2 — дренаж; 3 — дренажные колодцы 0,4×0,4 м в шахматном порядке через 5,0 м; 4 — плиты 10,0×10,0×1,0 м и 5 — 10,0×10,0×0,8 м; 6 — каменная наброска, d > 0,15 ÷ 0,30 м; 7 — гравий; 8 — карьерная мелочь, d = 0,01 ÷ 0,10 м; 9 — металлический шпунт; 10 — плиты 10,0×10,0×1,2 м; 11 — плиты 15,0×10,0×1,6 м; 12 — плиты 20,0×20,0×2,2 м

Плиты рисбермы часто устраивают на месте при этом швы плит не уплотняют. При бетонировании плит необходимо выполнять бетонную подготовку толщиной 0,10 ÷ 0,15 м. Для выхода фильтрационных вод в плитах устраивают дренажные отверстия диаметром 0,15 ÷ 0,25 м с шагом в плане до 5 м. Для предотвращения выноса грунта из-под плит в основании устраивается (поверх естественного грунта) обратный фильтр (двух- или трехслойный) толщиной 0,4 ÷ 0,6 м.

Габионное крепление представляет собой сетки с уложенным в них камнем крупностью до 30 см. Высота габионов при использовании их в конструкции рисбермы должна составлять 1,0 м, а длина и ширина сеток определяется удобством монтажа и возможностями завода-изготовителя. Ширина обычно составляет до 1,0 ÷ 2,0 м, длина — 3,0 ÷ 5,0 м. При укладке габионов каждая отдельная стека связывается с соседней проволокой, образуя при этом единое сплошное гибкое крепление. К недостаткам габионных изделий можно отнести возможность повреждения сетки плавающими карчами и высокую стоимость.

Каменную наброску в виде крепления используют весьма часто (см. рис. 3.10). Устройство каменной наброски должно выполняться таким образом, чтобы более крупные камни располагались в верхнем слое с обязательной подготовкой обратного фильтра. На песчаных основаниях часто используют каменную наброску совместно с забивкой свай диаметром 20 ÷ 25 см и с шагом 1 ÷ 2 м.

Крепление рисбермы из универсальных гибких защитных бетонных матов (далее маты) является наиболее современным способом крепления дна и берегов (рис. 11). Маты представляют собой бетонные блоки пирамидального профиля размерами 300×300 мм в плане и 60 ÷ 240 мм высотой. Блоки связаны между собой арматурными искусственными канатами диаметром 8 ÷ 25 мм из полиамида, пропилена или лавсана в маты размерами 2,75×1,23 м.

Рис. 3.11. Универсальный гибкий бетонный защитный мат

Формирования подземного контура плотины

Форма и конструктивные особенности подземного контура во многом зависят от геологического строения, типа основания и требований, предъявляемых к подземному контуру: минимальное фильтрационное давление на элементы плотины и сохранение фильтрационной прочности основания.

Рис. 3.12. Бездренажный понур и тело плотины: А-1 и 6-В — соответственно входное и выходное живые сечения; I — понур; II —шпунт; III — обратный фильтр	Рис. 3.13. Плотина с горизонтальным дренажем: А-1 и 6-В — соответственно входное и выходное живые сечения; I — понур; II — шпунт; III — дренажная галерея; IV — дренажный колодец высотой 1 ÷ 2 м; V — обратный фильтр; VI — дренаж
Рис. 3.14. Плотина с горизонтальным дренажем анкерного понура: I — обратный фильтр; II — дренаж; III — железобетонный анкерный понур; IV — шарнир; V — арматура	Рис. 3.15. Плотина с вертикальным дренажем: I — ряд дренажных колодцев; II — обратный фильтр

Различают различные схемы подземного контура плотин:

· Бездренажные понур и тело плотины (рис. 3. 12). В этом случае входным сечением фильтрационного потока является дно верхнего бьефа перед понуром, а выходным дно нижнего бьефа за телом плотины (при условии устройства дренажа в плите водобоя. Использование такой конструкции возможно при небольших напорах.

· Плотина с горизонтальным дренажем (рис. 3.13). В этом случае непосредственно под плотиной устраивается дренаж, соединенный с нижним бьефом посредством дренажных колодцев, устроенных в дренажной галерее, из которой производится отвод воды в нижний бьеф. Выходным сечением в этой схеме можно считать линию 6-В.

· Плотина с горизонтальным дренажем понура (рис. 3.14). В этом случае подземный контур включает в себя короткий участок 1-2-3-4-5, а выходной сечение участок 5-6-В. Такая конструкция дольно эффективно влияет на фильтрационный поток, однако требует выполнения дольно большого объема работ по устройству дренажа.

· Плотина с вертикальным дренажем (рис. 3.15). В этом случае устраиваются глубокие колодцы, который могут располагаться в области нижнего бьефа или под плотиной, или под понуром.

· Глубинная схема подземного контура. В этом случае водопроницаемое основание на всю его глубину до водоупора пронизывается шпунтом или глубоким бетонным зубом.

При залегании водоупора на глубине меньше 4 ÷ 5 м во всех случаях целесообразно смыкание основания плотины с водоупором, при этом устраиваемая диафрагма заглубляется в водоупор на величину 0,5 ÷ 1,0 м. При большей глубине залегания водоупора смыкание основания с водоупором целесообразно при глубине залегания водоупора не более h ≤ (1,0 ÷ 1,5) H_d (где H_d — напор на сооружение), но не более 15 ÷ 20 м.

При висячей схеме подземного контура, когда шпунтовые сваи не доводятся до водоупора, глубину их забивки следует назначать не менее H.

Понуры

Основным назначением понура является создание водонепроницаемого крепления дна перед телом плотины, которое увеличивает длину подземного контура плотины тем самым снижает фильтрационное давление и повышает фильтрационную прочность грунта основания плотины. Кроме того при невысоких плотинах, а также на плотинах с низким порогом понур осуществляет роль крепления дна.

Различают следующие основные типы понуров.

Понуры из связных грунтов (глиняные и суглинистые), рис. 3.16. Толщина глиняного понура определяется при соблюдении условия недопущения превышения градиентов напора допускаемых значений:

,

где — разность напоров сверху и снизу в рассматриваемом сечении понура;

— толщина понура;

— допускаемый градиент (для глин — 6 ÷ 8; для суглинков — 4 ÷ 5),

при этом минимальная конструктивная толщина в верхнем конце назначается равной 0,75 м, у плотины — 1 ÷ 2 м.

Глинобетонные понуры конструктивно выполняются также, как и глиняные, с отличием в основном непроницаемом материале — глинобетоне, который представляет собой смесь глины (20 ÷ 25 %), песка (30 ÷ 40 %) и гравия (35 ÷40 %). Такой понур меньше подвержен пучению при строительстве в зимнее время.

Рис. 3.16. Схема конструкции понура из связного грунта

Поверх глиняных и глинобетонных понуров обычно отсыпается обратный фильтр толщиной 0,15 ÷ 0,25 м, поверх которого выполняется крепление из железобетонных плит толщиной 0,2 ÷ 0,5 м.

Анкерные понуры обычно состоят из железобетонных плит толщиной 0,4 ÷ 0,7 м, арматура которых соединена с арматурой нижней сетки фундаментной плиты тела плотины. Для создания гибкого шва между плотиной и понуром цементный бетон на участке примыкания к плотине заменяется армированным асфальтобетоном или армированным асфальтом, заключенным между деревянными настилами (рис. 3 .17).

Рис. 3.17. Схема анкерного понура:
1 — надшпунтовая балка; 2 — битумные маты; 3 — три слоя досок на гидроизоле; 4 — битум; 5 — битумная мастика; 6, 7 — штрабельный бетон тела плотины; 8 — анкер; 9 — глина; 10 — железобетонная плита; 11 — шпунт